https://www.yisraelpedia.com/index.php?action=history&feed=atom&title=%D7%90%D7%A4%D7%A7%D7%98_%D7%9E%D7%A8%D7%A0%D7%92%D7%95%D7%A0%D7%99אפקט מרנגוני - היסטוריית גרסאות2026-09-14T07:01:31Zהיסטוריית הגרסאות של הדף הזה בוויקיMediaWiki 1.43.8https://www.yisraelpedia.com/index.php?title=%D7%90%D7%A4%D7%A7%D7%98_%D7%9E%D7%A8%D7%A0%D7%92%D7%95%D7%A0%D7%99&diff=836920&oldid=previmported>Idoiz: הסרת nowiki2025-11-10T21:31:12Z<p>הסרת nowiki</p>
<p><b>דף חדש</b></p><div>[[קובץ:Marangoni effect experimental demonstration.ogv|ממוזער|הדגמה של אפקט מרנגוני: גרגרי [[פלפל שחור]] מפוזרים על פני מים ב[[צלחת פטרי|צלחת]] השמאלית, כאשר מוסיפים טיפה של תמיסת סבון למרכז הצלחת, נעים גרגרי הפלפל במהירות לשפת הצלחת.]]<br />
'''אפקט מרנגוני''' (ב[[אנגלית]]: '''Marangoni effect'''; קרוי גם '''אפקט מרנגוני גיבס''', באנגלית: '''Gibbs–Marangoni effect'''), דן בזרימה של חומר הנובעת מגרדיאנט (מפל) ב[[מתח פנים|מתח הפנים]]. במקרה שבו הגרדיאנט במתח הפנים נובע מגרדיאנט ב[[טמפרטורה]], האפקט נקרא גם האפקט "התרמו-[[נימיות|קפילרי]]" או "אפקט בנרד מרנגוני<ref>{{צ-ספר|שם=Rayleigh-Bénard convection : structures and dynamics|קישור=https://www.worldcat.org/oclc/38130717|מו"ל=World Scientific|שנת הוצאה=1998|מקום הוצאה=Singapore|ISBN=981-02-2657-8|oclc=38130717|מחבר=A. V. Getling}}</ref>".<br />
<br />
==היסטוריה==<br />
הפיזיקאי ג'יימס תומסון (אחיו של [[לורד קלווין]]) חקר בשנת 1855<ref>{{צ-ספר|שם=The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science|קישור=https://books.google.co.il/books?id=MVIwAAAAIAAJ&pg=PA330&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false|מו"ל=Taylor & Francis|שנת הוצאה=1855|שפה=en}}</ref> את התופעה הנקראת "דמעות יין", ראה תמונה בתחתית הערך, בה ניתן להבחין בטיפות שנוצרות באופן ספונטאני על דופן הכוס וזולגות כדמעות למפלס היין. דמעות יין הוא [[מקרה פרטי]] של אפקט מרנגוני שנחקר על ידי הפיזיקאי האיטלקי קרלו מרנגוני (Carlo Marangoni) בעבודת הדוקטורט שלו שפורסמה בשנת 1865<ref>{{צ-ספר|שם=Sull'espansione delle goccie d'un liquido galleggianti sulla superfice di altro liquido|קישור=https://books.google.co.il/books?id=ZoxltwAACAAJ&redir_esc=y|מו"ל=Fratelli Fusi|שנת הוצאה=1865|מחבר=Carlo Marangoni|שפה=it}}</ref>. מודל תאורטי מורחב פורסם על ידי [[ג'וסיה וילארד גיבס|גיבס]] ב-1878<ref>{{צ-ספר|שם=Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences|קישור=https://books.google.co.il/books?id=ZsQAAAAAYAAJ&pg=PA483&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false|מו"ל=Academy|שנת הוצאה=1878|שפה=en}}</ref>.<br />
<br />
==התופעה==<br />
מתח הפנים היא האנרגיה ליחידת שטח במשטח המגע בין שתי [[פאזה (חומר)|פאזות]]: למשל, שכבות המגע בין [[נוזל]] ל[[גז]], בין נוזל לנוזל אחר, או בין נוזל ל[[מוצק]]. כל שכבת מגע כזו מאופיינת על ידי מתח פנים ייחודי לפאזות שנמצאות במגע. תיאור שקול הוא כ[[כוח (פיזיקה)|כוח]] ליחידת אורך הדרוש לאזן את מתח הפנים. למשל, הכח הפועל על מסגרת התומכת במשטח נוזלי. מתח הפנים של מים ב[[תנאים סטנדרטיים של טמפרטורה ולחץ|תנאים סטנדרטים]] הוא בקירוב <math>0.07~[N][m^{-1}]</math>. מתח הפנים גבוה גורם להתקדרות הנוזל לטיפות, ומתח פנים נמוך גורם ל[[הרטבה|הרטבת]] המשטח על ידי הנוזל. כאשר נוזל נמצא במגע עם משטח שאינו [[הומוגניות (פיזיקה)|הומוגני]], למשל משטח שהרכבו הכימי משתנה בהדרגה או, לחלופין, משטח שצד אחד שלו חם יותר מצידו השני, נוצר, בדרך כלל, מפל (גרדיאנט) במתח הפנים. הנוזל שואף להקטין את האנרגיה האצורה במשטח המגע ולכן יזרום לאזור בו האנרגיה מינימלית.<br />
<br />
[[סבון]], ו[[כוהל|אלכוהול]], מקטינים את מתח הפנים של מים. כך למשל בהדגמת הווידאו שלמעלה משמאל: טיפת הסבון במרכז מקטינה את האנרגיה של משטח המגע של המים עם האוויר, ולכן מתפשטת על פני הנוזל. התפשטות זו מייצרת זרימה שסוחפת את גרגרי הפלפל לשפת הצלוחית. זו דוגמה טיפוסית לאפקט מרנגוני שבו הזרימה היא במעלה מתח הפנים.<br />
<br />
ניתן, לעיתים, להעריך את סדר הגודל של מהירות הזרימה משיקולי ממדים. המקרה הפשוט ביותר הוא כאשר ניתן להזניח את השפעת ה[[התמד]]ה (אינרציה) של הנוזל יחסית להשפעת ה[[צמיגות]] <math>\mu</math>. במקרה זה מהירות הזרימה נקבעת על ידי מפל מתח הפנים וצמיגות הנוזל, ו[[יחס ישר|מתכונתית]] ליחס <math>{\Delta \gamma}/{\mu}</math> כאשר <math>\Delta \gamma</math> הוא מפל מתח הפנים. הצמיגות של מים בתנאים סטנדרטים היא כ-<math>10^{-3}~ [Pa][s]</math>. ולכן שינוי של אחוז במתח הפנים של המים גורם לזרימת מרנגוני ב[[סדר גודל]] של [[מטר לשנייה]] הניתנת להבחנה בקלות.<br />
<br />
מספר מרנגוני {{אנ|Marangoni_number}} הוא [[גודל חסר ממד]], המשווה את קצב העברת החומר באפקט מרנגוני לקצב העברתו ב[[דיפוזיה]]. המספר הוגדר בשנת 1950 ונקרא על שם מרנגוני למרות שלא גילה אותו ולא השתמש בו. מספר מרנגוני נתון בנוסחה <math>(\Delta \gamma\, L)/(\mu D)</math> כאשר <math>D</math> מקדם הדיפוזיה ו - <math>L</math> רוחב מפל מתח הפנים.<br />
<br />
==דמעות יין==<br />
[[קובץ:Wine legs shadow.jpg|טקסט=Tears of wine show clearly in the shadow of this glass of wine with a 13.5% alcohol content|ממוזער|234x234 פיקסלים|"דמעות יין" נראות בבירור בצל שמטילה על הקיר כוס של יין עם ריכוז אלכוהול של 13.5%]]<br />
"דמעות היין", ראה תמונה, הן טיפות יין שנוצרות באופן ספונטאני על דפנות [[כוס יין]], קצת מעל פני היין בכוס וזולגות כדמעות למפלס היין. יין הוא בעיקר תערובת של אלכוהול ([[אתנול]]), מים, [[סוכרים]] מומסים, ועוד. [[נימיות|האפקט הקפילרי]] גורם ליין לטפס בשכבה דקה על דפנות הכוס. כיוון שאלכוהול מתאדה מהר יותר ממים, היין על דפנות הכוס נעשה עני באלכוהול, ומתח הפנים שלו עולה. בגלל אפקט מרנגוני, המפל במתח הפנים בין היין על דפנות הכוס לפני היין בכוס מייצר זרימה, נגד [[כח הכובד]], במעלה דפנות הכוס. הזרם נפסק בגובה בו כוח הכבידה מאזן את זרימת מרנגוני שם נוצרות טיפות היין הזולגות חזרה לכוס. תיאור כמותי של התופעה דורש להביא בחשבון גם אפקטים נוספים, כמו למשל, קירור השיכבה הקפילארית כתוצאה מהתאדות האתנול, ראה<ref>{{צ-מאמר|מחבר=David C. Venerus and David Nieto Simavilla|שם=Tears of wine: new insights on an<br />
old phenomenon|כתב עת=Nature|שנת הוצאה=2015|עמ=1-10|doi=/srep16162/10.1038|קישור=https://www.nature.com/articles/srep16162.pdf}}</ref>.<br />
<br />
==חשיבות התופעה בתופעות מעבר חום ומסה==<br />
<br />
על פני כדור הארץ, כח הכבידה בשילוב עם מפל טמפרטורות על פני הנוזל גורם להסעה משמעותית יותר מאפקט מרנגוני. לעומת זאת, בתנאי מיקרו-כבידה, ניתן לחזות באפקט מרנגוני ללא השפעות הכבידה. ניסויים שנעשו בצינורות חום (heat pipes) ב[[תחנת החלל הבין-לאומית|תחנת החלל הבינלאומית]], הראו כי בעוד שעל [[כדור הארץ]] גרדיאנט טמפרטורה גרמו להתאדות [[נוזל קירור|נוזל הקירור]] בקצה אחד ולזרימת האדים דרך הצינור כלומר לייבוש האזור החם, בתנאי מיקרו-כבידה, עקב אפקט מרנגוני והאפקט הקפילרי קרה דווקא ההפך, והאזור החם הוצף בנוזל<ref>{{צ-מאמר|שם=Thermocapillary Phenomena and Performance Limitations of a Wickless Heat Pipe in Microgravity|קישור=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.114.146105|כתב עת=Physical Review Letters|שנת הוצאה=2015-04-07|עמ=146105|כרך=114|doi=10.1103/PhysRevLett.114.146105|מחבר=Akshay Kundan, Joel L. Plawsky, Peter C. Wayner, David F. Chao}}</ref>.<br />
<br />
בעקבות האפקט הקפילרי, הנוזל נצמד לדפנות החמות של הצינור. הירידה במתח הפנים של הנוזל עם עליית הטמפרטורה, גוררת זרימת מרנגוני של הנוזל מהאזור החם בדפנות הצינור פנימה אל האזור הקר. המנגנונים ההפוכים של היצמדות לדפנות הצינור בעקבות האפקט הקפילרי מחד גיסא, והזרימה מהדפנות פנימה עקב אפקט מרנגוני מאידך גיסא, יוצרות [[סירקולציה]] של הנוזל בכיוון הרדיאלי בין דפנות הצינור למרכזו.<br />
<br />
ההשפעה של אפקט מרנגוני במעבר חום בנוכחות של בועות גז על המשטח החם (כלומר במצב של [[נקודת רתיחה|רתיחה]]) הוזנחה במשך זמן רב. נכון לתחילת [[המאה ה-21]], קיים עניין רב בנושאי מחקר אלו, עקב החשיבות הרבה של האפקט בהבנת מנגנוני הסעת החום<ref>{{צ-מאמר|שם=Marangoni heat transfer in subcooled nucleate pool boiling|קישור=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931004002315|כתב עת=International Journal of Heat and Mass Transfer|שנת הוצאה=2004-11-01|עמ=5115–5128|כרך=47|doi=10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.05.031|מחבר=Sanja Petrovic, Tony Robinson, Ross L. Judd}}</ref>.<br />
<br />
==דוגמאות ושימושים==<br />
שימוש חשוב באפקט מרנגוני הוא בייבוש של תבניות [[צורן|סיליקון]] ב[[תעשיית השבבים בישראל|תעשיית השבבים]] לאחר תהליך העיבוד הרטוב, כחלק מתהליך הייצור של [[מעגל אלקטרוני דיגיטלי|מעגלים אלקטרונים]]. לאחר תהליך העיבוד, נותרות טיפות מים זעירות על גבי התבנית. טיפות הנוזל עלולות לגרום [[חמצון-חיזור|לחמצון]] של התבנית ולפגוע במעגל האלקטרוני. על מנת לייבש במהירות את טיפות המים, מותזות טיפות אלכוהול על התבנית. ההפרש במתח הפנים בין האלכוהול לבין המים גורם לדחייה של טיפות המים מהאלכוהול המותז, ובכך מאפשר לכוח הכבידה למשוך בקלות את טיפות המים, ולהשאיר את המשטח יבש. באפקט זה נעשה שימוש גם לצורך תמרון של מיקרו - וננו - חלקיקים בתוך זורם<ref>{{צ-מאמר|שם=A microrobotic platform actuated by thermocapillary flows for manipulation at the air-water interface|קישור=https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abd3557|כתב עת=Science Robotics|שנת הוצאה=2021-03-17|עמ=eabd3557|כרך=6|doi=10.1126/scirobotics.abd3557|מחבר=Franco N. Piñan Basualdo, A. Bolopion, M. Gauthier, P. Lambert}}</ref>. כיוון שתופעות מתח פנים הופכות משמעותיות יותר [[סקאלה|בסקאלות]] קטנות (ניתן לראות זאת על ידי מספרים חסרי יחידות, כפי שלרוב נהוג ב[[הידרודינמיקה]]), ניתן לעשות שימוש בהסעה תרמו-קפילרית לצורך הזזת החלקיקים. אזורים שונים של הנוזל מחוממים בצורה מבוקרת באמצעות [[לייזר]] [[תת-אדום|אינפרה אדום]]. החימום יוצר שינוי ב[[מתח פנים|מתח הפנים]] של הנוזל וגורם לזרימה של הנוזל עקב אפקט מרנגוני. שליטה מבוקרת בזרימת הנוזל על ידי חימום מבוקר מאפשר תמרון של החלקיקים בצורה עדינה בתוך הנוזל. לאפקט מרנגוני יש חשיבות רבה גם בתחומי ה[[ריתוך]], [[גידול גבישים]], ועוד.<br />
<br />
האתר של [[מכון דוידסון לחינוך מדעי|מכון דוידסון]] מציג הדגמות וניסויים פשוטים של אפקט מרנגוני ואפקטים נוספים הקשורים במתח הפנים<ref>{{קישור כללי|כתובת=https://davidson.weizmann.ac.il/category/תגיות-דוידסון-online/מתח%20פנים?page=1|כותרת=מתח פנים|אתר=מכון דוידסון לחינוך מדעי|תאריך_וידוא=2024-09-21}}</ref>.<br />
<br />
==הערות שוליים==<br />
{{הערות שוליים|יישור=שמאל}}<br />
<br />
{{בקרת זהויות}}<br />
[[קטגוריה:מכניקת הזורמים]]</div>imported>Idoiz